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汉北河大桥箱梁温度场效应研究
姜增国，黄涛 ，郭玉峰，王攀峰
武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 (430070)
摘 要：在当前日益增多的大跨、高耸、薄壁等混凝土结构中，温度作用常常会使结构产生
较大的应力，温度应力会引起结构开裂，从而影响结构的正常使用，甚至会导致结构破坏。
现实中许多桥梁事故都被证实与温度效应考虑不周有关,目前各国设计规范关于混凝土箱梁
的温度荷载规定不尽一致。因为有必要通过试验和理论研究等工作来得到适合我国某一地区
的温度分布规律，以便用以指导设计、确定施工和混凝土浇注的合理时机，以及对关键的施
工工序进行适当的温度控制。因此对于桥梁结构的温度场的研究是非常必要的。本文介绍了
汉北河大桥预应力混凝土连续箱梁温度场的测试方案、测点布置及大气自然条件下箱梁断面
温度场的测试结果，分析了箱梁温度变化规律，并研究了温度场对箱梁挠度和箱梁结构应力
的影响。
关键词：混凝土箱梁；温度场；挠度
中图法分类号：
1. 引言
对于自然环境中的混凝土结构，由于其热传导性能差，在长期经受自然界气温的变化和
日照辐射等剧烈作用时，其表面温度迅速上升（或降低），但结构的内部温度仍处于原来状
态，于是在混凝土结构中形成较大的温度梯度，混凝土结构的各部分处于不同温度状态，由
此产生温度变形。当变形被结构的内、外约束阻碍时，会产生相当大的温差应力。国内外学
者在研究了众多桥梁破坏事故以后认为，桥梁破坏的主要原因是太阳辐射、大气温度及其它
某些外界因素的日过程在桥梁结构内产生的非线性温差引起的温度应力。本文结合武荆高速
汉北河特大桥施工监测监控课题，通过现场测试与计算机模拟计算相结合的方法，确定适合
于我国中部地区特点的大跨度钢筋混凝土箱形梁桥的温度场分布规律，从而建立桥梁的温度
场仿真模型，对其温度效应进行研究分析[1]。
2. 工程概述
汉北河大桥是湖北武汉—荆门段高速公路上跨越汉北河的一座特大型公路桥梁，其主桥
为三向预应力混凝土变截面双幅三跨连续梁桥（55m+100m+55m），桥长210m，箱宽米，
翼板悬臂3米，全宽米。箱梁根部高6米，端部及跨中高米。箱梁高度采用次抛物
线方式从箱梁根部高6米变化至端部及跨中高米。箱梁底板厚度采用次抛物线方式从箱
梁根部厚100厘米变化至端部及跨中厚28厘米。箱梁腹板厚度50厘米。横坡从纵轴线向外侧
为%。设计荷载为汽车-超20，挂车-120[2]。图1为汉北河大桥右幅示意图。
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武汉侧荆门侧
图 1 汉北河大桥测试断面布置图
3. 箱梁温度场研究的目的与方法
箱梁温度场研究的目的
随着公路及城市立交的全面发展，桥梁建设进入前所未有的高潮时期。其中箱梁以其优
良的截面形式在大跨径 PC 梁桥建设中占据及其重要的地位。但是在国内外一些桥梁的施工
和使用过程中，常发生许多严重的裂缝，造成极大的危害。许多研究表明，由太阳辐射引起
的温度应力是产生这种裂缝的主要原因之一。短时的变化急剧的太阳辐射引起的结构物的温
度变化，对混凝土结构的影响效果可以超过长期变化的年气温荷载，使用不同的温度梯度模
式计算得出的梁内温度应力相差巨大。因为有必要通过试验和理论研究等工作来得到适合我
国某一地区的大跨度 PC 连续梁桥的温度分布规律，以便用以指导设计、确定施工和混凝土
浇注的合理时机，以及对关键的施工工序进行适当的温度控制[3-5]。
测试仪表及精度
温度观测应采用精度较高的 Pt100 薄膜铂电阻温度传感器， Pt100 薄膜铂电阻主要性能
指标如下：
（1）量程：-70℃-600℃
（2）冰点电阻：100 Ω
（3）温度系数: ±＝RR
（4）精度： Ct
0)( +±
除采用铂电阻测量混凝土体内温度外，还应采用铂电阻表面温度点温计（分辨率为
℃）测量箱梁混凝土的表面温度。点温计测量具有较大的灵活性，可以对任意处的混凝
土表面温度进行测量。
测点布置
选一个“T”的一个悬臂作为温度测试对象。共设两个观察截面，（1 号截面设于边跨武汉
侧距 20#墩 5 米，2 号截面设于中跨荆门侧距 20#墩 米）每个截面各布置 8 个温度测点。
测温度的铂电阻先贴在钢筋上，作防潮和防机械损伤处理后埋入混凝土内，测试导线引到混
凝土表面，具体布置方法如图 2 所。
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12
图 2 箱梁温度测点布置示意图
温度观测时间的选择
在主梁施工期间，温度场的数据的采集，应当选择代表性的天气进行连续的观测，如昼
夜温差变化较大的季节和晴天则需增加观测次数，阴雨天则因云层的厚度而变化较缓则可减
少次数。在实际观测过程中，选取 2008 年 6 月 15 日、16 日和 17 日三天，进行了 24h 不间
断连续观察。其中 15 日为晴天，每 1h 观测一次箱梁截面沿梁高方向的温度场、箱梁截面的
应力和箱梁最远处两截面的挠度，16 日为阴转小雨，每 2h 观测一次，17 日为多云，每 2h
观测一次，从而温度场进行分析。
4. 实测结果分析
温度场与时间的变化规律
数据是于 2008 年 6 月 15 日所进行的 24h 不间断连续观测。（只选取间隔 3h 的数据对比）
表 1 20#箱梁 1 号截面温度变化连续测量表(6 月 15 日)
测点温度/℃
时间 环境温度/℃
1 2 3 4 5 6 7 8
06：00 28 26 27 28 28 27 25 27 28
09：00 29 27 28 29 28 27 27 29 30
12：00 30 29 30 30 29 29 29 31 32
15：00 33 32 32 32 31 33 29 31 34
18：00 32 32 30 32 30 31 27 29 31
21：00 31 30 29 30 28 29 26 29 31
00：00 28 28 27 29 27 28 26 27 29
03：00 27 26 27 27 27 28 25 27 28
06：00 27 27 28 27 27 28 26 28 28
由上述表的实测数据，由于环境温度的影响，造成箱梁内外温差的出现。如靠近中轴线
的底板内的 6 测点的温度在 25℃和 29℃之间变化；而位于腹板的 4 测点，由于箱梁翼缘板
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长 3m,外加主桥纵向垂直于东西走向，腹板几乎没有日照，故而 4 测点温度在 27℃和 31℃
之间变化；而右幅靠外侧腹板 8 号测点的温度在 28℃和 34℃之间变化。在 23:00-次日 06:00
时段,各测点的温度变化不大,如,1，4 和 6 测点温度均 27℃左右；3，5 和 8 测点温度稳定在
28℃，7 测点温度几乎稳定在 27℃;箱梁顶板下缘 2 测点温度几乎稳定在 27℃上。
图 3 6 月 17 日各测点温度随时间变化图
在日照的 1 d 内,各测点的温度在时间历程上，可用一条曲线进行描述。环境温度在时间
历程上近似符合正弦或余弦函数的变化规律，但其峰值并不相同。其他各测点温度也有类似
的规律。图 3 为 2008 年 6 月 17 日各测点温度随时间变化图。
温度对箱梁挠度的影响
表 2 给出了右幅桥 20#T 第 11 截面(距墩顶 )和第 12(距墩顶 49m)截面箱梁挠度随
温度变化值。由表中可知，不均匀的温度场会引起箱梁挠度的变化。
表 2 箱梁挠度随温度变化值
挠度/mm 时间 温度/℃ 武汉 11# 武汉 12# 荆门 11# 荆门 12#
06：00 28 0 0 0 0
09：00 29 −3 −3 −2 0
12：00 30 −5 −7 −6 −5
15：00 33 −12 −14 −13 −12
18：00 32 −9 −10 −10 −17
21：00 31 −5 −5 −6 −9
24：00 28 −2 −3 −3 −5
03：00 27 0 0 −1 −2
在悬臂状态下，随着箱梁上下表面温度差的增大，箱梁向下的挠度不断加大，当温差最
大时箱梁最远点截面(离墩顶中心 49 m)的挠度为-14 mm，箱梁次远点截面(离墩顶中心 )
的挠度为-12 mm。反之，随着箱梁上下表面温度差的减少，箱梁向下的挠度不断减少，逐
箱梁测点变化图
23
25
27
29
31
33
35
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
观测时间
观
测
温
度
1 2 3 4 5 6 7 8 环境温度
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步恢复到初始状态。当降温时，即箱梁下表面温度高于上表面的温度时，箱梁向上的挠度逐
步增大，当温差最大时，箱梁最远点截面(离墩顶中心 49m)的挠度为+9mm，箱梁次远点截
面(离墩顶中心 )的挠度为+8 mm。
温度对箱梁结构应力的影响
在桥梁悬臂施工阶段,桥梁支座临时固结。故此时桥梁可视为静定结构,而此时非线性温
度场引起的内力即为温度自应力.表 3给出了右幅桥20#T梁第 6截面箱梁应力随温度变化值.
表 3 箱梁应力随温度变化值
δ/MPa
时间 温度
/℃ 1 2 3 4 5 6 7 8
6：00 28 0 0 0 0 0 0 0 0
9：00 29
12：00 30
15：00 33
18：00 32
21：00 31 −
24：00 28 −
3：00 27
6：00 27 − − − −
由上表可知,当环境温度由 ℃变化到 33℃的过程中，箱梁混凝土内部上、下表面平
均温度由 ℃变化到 33℃。特别是内外温差的增大，箱梁#(T 构根部,离 T 构墩顶中心
m)截面上表面的压应力增大了 ,下表面的压应力增大了 ；6#(离 T 构墩顶中
心 )截面上表面的压应力减少了 ,下表面的压应力增大了。
由此可见，随着箱梁内外温差的改变，对箱梁 1#（距墩点 5m）截面上表面应力影响最
大，对其他各截面的影响程度，因截面的位置而不同。而随着主梁混凝土上下温差由高向低
变化的过程中。箱梁体根部截面上表面的压应力也会相应地变小。其他截面的应力变化也与
截面位置有关。
5. 结论
通过对汉北河大桥箱梁温度场的监控研究表明，温度变化对桥梁结构影响很大，这种影
响随温度的变化而变化。故在施工过程中对大跨度桥梁结构进行温度施工监控是十分必要
的。
1. 温度对箱梁挠度有较大的影响。箱梁截面上的温度梯度越大，由此产生的挠度越大。
而在悬臂施工状态下，最远点的挠度改变最大，箱梁其它截面挠度随悬臂端的减少而依次减
少。
2. 箱梁应力随温度的改变而变化。由于温度因素的长期存在，从而导致混凝土箱梁腹
板的开裂。温度影响的作用有时比荷载还要大，且是不均匀的，因而对于三向预应力混凝土
连续梁桥设计和施工中，一定要考虑温度的影响。
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3. 从实验数据表明,环境温度在 23：00～次日 06：00 时时段为立模、线形测量或应力
测试的最佳时机。
4. 对于预应力混凝土连续梁桥，在新规范规定的日照温度梯度作用下，梁顶有着较大
的压应力，内部有着较大的拉应力。故而也要关注温度应力的影响。
参考文献
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Research on Temperature Field of Concrete Box Girders of
Han bei River Bridge
Jiang zeng guo, Huang tao, Guo yun feng, Wang pan feng
Civil Engineering and Architectural Institute of Wuhan University of Technology,Wuhan (430070)
Abstract
In the current growing number of large-span,the tall, thin-walled concrete structure, and so on, the
temperature of the structure will often have a greater stress, which will cause the temperature structure
of cracking, thus affecting the structure of normal use, or even lead ot structural damage. In reality
many bridges have been confirmed incidents of ill-considerde and the temperature on the current
national design specifications on the caloric load of concrete box girder provisions is not consistent.
Therefore，it is necessaryto get temperature mode and its effect on the stress and the line deformation in
one region of our country by theories and experiments。It can be used in the bridge design，which
makes a reasonable time to construct，sprinkle concrete and control appropriate temperature on key
constructing processes。So the bidge structure of the temperature field of study is very necessary. This
paper introduces test scheme，measure point disposal and test results under natural atmosphere
condition of the temperature field of box girders of prestressed concrete continuous beam Han bei
River bridge。In addition，temperature variation regulation of box girders is analysed，at the same time，
the influence on deflection and structural stress of box girders by the enforcement of temperature field
is also studied。
Keywords:concrete box girders;temperature field;deflection
